阅读说明：本技术 一种等离子体推力器稳态离子流场测量装置及测量方法 (Plasma thruster steady-state ion flow field measuring device and measuring method ) 是由 胡鹏 沈岩 毛威 扈延林 胡大为 吴朋安 山世华 藏娟伟 李胜军 吴耀武 李栋 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了种等离子体推力器稳态离子流场测量装置及测量方法,属于稳态离子流场测量技术领域。装置包括测量模块、电源模块和探针组件,探针组件包括探针、探针支架和电动转台,探针包括绝缘壳体、离子接收极、入射栅和出射栅,绝缘壳体一端开口,入射栅位于绝缘壳体的开口处,出射栅位于绝缘壳体内腔中部,离子接收极位于绝缘壳体内腔中远离入射栅的一段,入射栅的入射孔和出射栅的出射孔同轴,离子接收极、入射栅和出射栅之间相互绝缘,绝缘壳体固定在探针支架上,电动转台用于带动探针支架绕入射栅的入射孔转动。该装置探针绕测量点旋转能够得到测量点处各方位角上的离子电流密度分布函数,并同时得出离子速度的矢量角。(The embodiment of the invention provides a device and a method for measuring a steady-state ion flow field of a plasma thruster, and belongs to the technical field of steady-state ion flow field measurement. The device comprises a measuring module, a power supply module and a probe assembly, wherein the probe assembly comprises a probe, a probe support and an electric turntable, the probe comprises an insulating shell, an ion receiving electrode, an incident grid and an emergent grid, one end of the insulating shell is open, the incident grid is positioned at the opening of the insulating shell, the emergent grid is positioned in the middle of the inner cavity of the insulating shell, the ion receiving electrode is positioned in the inner cavity of the insulating shell and is far away from one section of the incident grid, an incident hole of the incident grid and an emergent hole of the emergent grid are coaxial, the ion receiving electrode, the incident grid and the emergent grid are mutually insulated, the insulating shell is fixed on the probe support, and the electric turntable is used for driving the probe. The probe of the device rotates around the measuring point to obtain the ion current density distribution function on each azimuth angle at the measuring point and obtain the vector angle of the ion velocity at the same time.)

一种等离子体推力器稳态离子流场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及稳态离子流场测量技术领域，特别提供了一种等离子体推力器稳态离子流场测量装置及测量方法。

背景技术

霍尔推力器是目前国际领域一种十分典型的等离子体电推进装置。等离子体推力器依靠高速喷射的等离子体羽流产生反作用推力，其工作效率决定于羽流区稳态离子流场的分布特点。因此，获取羽流区稳态离子流场分布对于推力器性能的优化具有重要意义。

由于等离子体推力器具有复杂的电离加速过程，羽流区的离子流场具有十分复杂的空间结构。在这种离子流场中，获取各点离子电流密度分布及其速度矢量角成为该领域的技术难点。为了获取推力器羽流区离子流场的特征信息，通常会采用Faraday探针分别对推力器羽流区的离子电流进行测量。中国专利CN105116435A和CN105116436A的专利文件公开了利用Faraday探针阵列对离子流场的同步测量方法，而其中用到的Faraday探针采用了常规的探针结构设计，因而无法获取离子速度的矢量角分布。在文献“Magneticallyfiltered faraday probe for measuring the ion current density profile of ahall thruster”中，利用Faraday探针只能完成对推力器的离子电流密度的测量，而无法获取离子速度的矢量角。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了种等离子体推力器稳态离子流场测量装置及测量方法，该装置探针绕测量点旋转能够得到测量点处各方位角上的离子电流密度分布函数，并同时得出离子速度的矢量角。

本发明的技术解决方案是：

一种等离子体推力器稳态离子流场测量装置，包括测量模块、电源模块和探针组件，所述探针组件包括探针、探针支架和电动转台，所述探针包括绝缘壳体、离子接收极、入射栅和出射栅，所述绝缘壳体一端开口，所述入射栅位于所述绝缘壳体的开口处，所述出射栅位于所述绝缘壳体内腔中部，并将所述内腔分隔成两段，所述离子接收极位于所述绝缘壳体内腔中远离所述入射栅的一段，所述入射栅的入射孔和所述出射栅的出射孔均位于绝缘壳体内腔的轴线上，所述离子接收极、入射栅和出射栅之间相互绝缘，所述绝缘壳体固定在所述探针支架上，所述电动转台用于带动所述探针支架绕所述入射栅的入射孔转动，所述电源模块用于给所述出射栅提供负偏压以滤除电子，所述测量模块用于测量所述离子接收极的离子电流信号及所述电动转台的转角信号。

在一可选实施例中，所述入射孔和出射孔之间的距离为2～3cm，所述出射孔与所述离子接收极的接收面的距离为2～4mm。

在一可选实施例中，所述离子接收极通过绝缘安装组件实现与所述出射栅的绝缘设置，所述离子接收极为截面呈T型的台阶结构，所述绝缘安装组件包括绝缘陶瓷座和内螺母，所述绝缘陶瓷座内腔为与所述离子接收极适配的台阶结构，且内腔大直径段长度大于所述离子接收极大直径段长度，所述离子接收极位于所述绝缘陶瓷座内腔中，所述出射栅位于所述绝缘陶瓷座内腔大直径端的端面处，所述绝缘陶瓷座内腔小直径段设有内螺母安装槽，所述内螺母位于所述内螺母安装槽内且与所述离子接收极直径段螺纹连接。

在一可选实施例中，所述离子接收极大直径端端面外缘设有一圈环形凸起。

在一可选实施例中，所述探针支架包括探针安装孔，所述探针安装孔为台阶孔，所述绝缘壳体包括对接的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体卡接在所述探针安装孔的小直径段，所述第二壳体安装在所述探针安装孔的大直径段，且所述第二壳体内腔为台阶结构，所述离子接收极小端位于所述第一壳体内，大端位于所述第二壳体内腔的大直径段，所述出射栅位于所述第二壳体内腔的台阶面处，所述入射栅固定在所述第二壳体内腔小直径段开口处。

在一可选实施例中，所述第一壳体为一端开口的空心柱状结构且开口端设有外翻边，所述第一壳体插设在所述探针安装孔的小端，所述外翻边位于所述探针安装孔的台阶面上，所述第二壳体两端开口，所述第二壳体内腔大直径端与所述第一壳体的外翻边对接，所述绝缘陶瓷座为阶梯柱状结构，且小端位于所述第一壳体内腔，大端位于所述第二壳体内腔大直径段，所述绝缘陶瓷座的外部台阶面与所述第一壳体外翻边相贴。

在一可选实施例中，所述第二壳体为台阶柱状结构，且与所述探针安装孔大直径段之间具有间隙，所述第二壳体通过前端顶盖与所述探针安装孔固定连接，所述前端顶盖内腔为与所述第二壳体外型面匹配的台阶结构，所述前端顶盖与所述探针安装孔螺纹连接，所述前端顶盖内腔小直径段开口处设有内翻边，所述入射栅卡在所述内翻边内，且所述入射栅与所述内翻边接触位置垫有绝缘陶瓷环。

在一可选实施例中，所述电源模块包括偏置电源和偏置电源线，所述偏置电源线一端与所述出射栅连接，另一端与所述偏置电源负极连接，所述偏置电源正极接地。

在一可选实施例中，所述测量模块包括信号线、电源连接线和信号采集电路，所述信号线一端与所述离子接收极连接，另一端与所述信号采集电路的输入端连接，所述信号采集电路通过电源连接线与所述偏置电源的负极连接。

在一可选实施例中，所述的等离子体推力器稳态离子流场测量装置还包括二维移动平台，所述二维移动平台包括z轴伸缩杆和X向滑轨，所述探针支架通过所述电动转台固定在所述z轴伸缩杆上，所述z轴伸缩杆在外力作用下沿所述X向滑轨滑动。

一种稳态离子流场测量方法，包括：

通过上述装置中的电源模块给探针组件中的出射栅提供负偏压以滤除电子；

通过所述探针组件中的离子接收极接收离子流场测量点的离子电流，接收时所述电动转台带动所述探针支架从预设起点绕所述入射栅的入射孔转动预设角度；

同时，通过所述探针组件中的测量模测量所述离子接收极的离子电流信号及所述电动转台的转角信号，从而确定电流强度与转动角度之间的函数关系；

根据所述电流强度与转动角度之间的函数关系，确定离子电流强度最大值对应的转动角度，得到测量点处的离子速度矢量角。

在一可选实施例中，所述的稳态离子流场测量方法还包括：

根据所述电流强度和所述入射栅的入射孔直径，确定测量点处的离子电流密度。

本发明与现有技术相比的有益效果包括：

本发明实施例提供的等离子体推力器稳态离子流场测量装置，通过将入射栅和出射栅的小孔的同轴线布置，可以使离子接收极的离子电流信号具备离子速度方向的选择性，探针绕测量点旋转能够得到测量点处各方位角上的离子电流密度分布函数，并同时得出离子速度的矢量角；通过改变探针在羽流区的测量点位置，最终能够获得整个羽流场中各点的稳态离子电流密度分布函数以及离子速度矢量角分布。该装置能够解决Faraday探针在等离子体推力器复杂羽流结构中测量的不足，为研究推力器在不同模式下的稳态羽流结构提供了一种有效的测量方法。

附图说明

图1为本发明一具体实施例提供的等离子体推力器稳态离子流场测量装置与推力器空间布置示意图；

图2为本发明实施例提供的等离子体推力器稳态离子流场测量装置局部剖面示意图；

图3为本发明装置的数据处理方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

参见图1和2，本发明实施例提供了一种等离子体推力器稳态离子流场测量装置，包括测量模块、电源模块和探针组件，所述探针组件包括探针、探针支架1和电动转台2，如图2所示，所述探针包括绝缘壳体、离子接收极12、入射栅8和出射栅10，所述绝缘壳体一端开口，所述入射栅8位于所述绝缘壳体的开口处，所述出射栅10位于所述绝缘壳体内腔中部，并将所述内腔分隔成两段，所述离子接收极12位于所述绝缘壳体内腔中远离所述入射栅8的一段，所述入射栅8的入射孔和所述出射栅10的出射孔均位于绝缘壳体内腔的轴线上，所述离子接收极12、入射栅8和出射栅10之间相互绝缘，所述绝缘壳体固定在所述探针支架1上，所述电动转台2用于带动所述探针支架1绕所述入射栅8的入射孔转动，所述电源模块用于给所述出射栅10提供负偏压以滤除电子，所述测量模块用于测量所述离子接收极12的离子电流信号及所述电动转台2的转角信号。

具体地，本发明实施例提供的等离子体推力器稳态离子流场测量装置在测量时，探针置于羽流场中测量点O点，通过电源模块给所述出射栅提供负偏压以滤除电子，控制电动转台绕待测点转动，同时通过测量模块测量所述离子接收极的离子电流信号及所述电动转台的转角信号，探针收集到的电流信号是测量点O点离子电流在探针轴线方向的分量，其信号强度会随转动角发生变化，从而得到测量点处的稳态离子电流密度分布函数；当转动角与速度矢量角相等时，离子流方向与入射栅和出射栅小孔所在直线相重合，离子电流强度达到最大值，图3给出了离子电流密度分布函数随转角的变化示意图，根据不同角度的离子电流信号的大小可以确定测量点处离子速度的矢量角。

本发明实施例提供的等离子体推力器稳态离子流场测量装置，通过将入射栅和出射栅的小孔的同轴线布置，可以使离子接收极的离子电流信号具备离子速度方向的选择性，探针绕测量点旋转能够得到测量点处各方位角上的离子电流密度分布函数，并同时得出离子速度的矢量角；通过改变探针在羽流区的测量点位置，最终能够获得整个羽流场中各点的稳态离子电流密度分布函数以及离子速度矢量角分布。该装置能够解决Faraday探针在等离子体推力器复杂羽流结构中测量的不足，为研究推力器在不同模式下的稳态羽流结构提供了一种有效的测量方法。

在一可选实施例中，所述入射孔和出射孔之间的距离为2～3cm，所述出射孔与所述离子接收极12的接收面的距离为2～4mm。入射孔和出射孔之间的距离为2～3cm时可以保证流场测量装置具有高的角度分辨率，而出射孔与离子接收极之间的距离为2～4mm时可以保证离子接收极具有高效的离子接收效率。

在一可选实施例中，所述离子接收极12通过绝缘安装组件实现与所述出射栅10的绝缘设置，所述离子接收极12为截面呈T型的台阶结构，且大端面为接收面，所述绝缘安装组件包括绝缘陶瓷座11和内螺母13，所述绝缘陶瓷座11内腔为与所述离子接收极12适配的台阶结构，且内腔大直径段长度大于所述离子接收极12大直径段长度，所述离子接收极12位于所述绝缘陶瓷座11内腔中，所述出射栅10位于所述绝缘陶瓷座11内腔大直径端的端面处，所述绝缘陶瓷座内腔小直径端设有内螺母安装槽，所述内螺母13位于所述内螺母安装槽内且与所述离子接收极12直径段螺纹连接。通过将绝缘陶瓷座的直径段长度设计成比离子接收电极大直径段长度大，通过内螺母固定绝缘陶瓷座和离子接收电极，使位于绝缘陶瓷座大端端面的出射栅与离子接收电极之间具有一定距离且实现二者绝缘；该结构装配简单、装配方便且绝缘可靠。

进一步地，所述离子接收极12大直径端端面外缘设有一圈环形凸起。该结构可以使离子接收极接收散射离子电流信号，从而提高离子接收极的收集效率，有利于提升测量装置的信噪比。

在一可选实施例中，所述探针支架1包括探针安装孔，所述探针安装孔为台阶孔，所述绝缘壳体包括对接的第一壳体14和第二壳体9，所述第一壳体14卡接在所述探针安装孔的小直径段，所述第二壳体9安装在所述探针安装孔的大直径段，且所述第二壳体9内腔为台阶结构，所述离子接收极12小端位于所述第一壳体14内，大端位于所述第二壳体9内腔的大直径段，所述出射栅10位于所述第二壳体9内腔的台阶面处，所述入射栅8固定在所述第二壳体9内腔小直径段开口处。上述绝缘壳体组合结构的有益效果是，能够保证固定入射栅8、出射栅10和离子接收极12三者的同轴度及相对距离。此外，这种套接结构能够大幅降低各电极之间的暗电流，减小信号串扰，保证测量装置的测量精度。

在一可选实施例中，所述第一壳体14为一端开口的空心柱状结构且开口端设有外翻边，所述第一壳体14插设在所述探针安装孔的小端，所述外翻边位于所述探针安装孔的台阶面上，所述第二壳体9两端开口，所述第二壳体9内腔大直径端与所述第一壳体14的外翻边对接，所述绝缘陶瓷座11为阶梯柱状结构，且小端位于所述第一壳体14内腔，大端位于所述第二壳体9内腔大直径段，所述绝缘陶瓷座11的外部台阶面与所述第一壳体14外翻边相贴。该结构在装配时，将与绝缘安装组件装配好的离子接收极12小端推入第一壳体14内，此时绝缘壳体外部台阶面与所述第一壳体14外翻边相贴，然后将装配好的组件一同装入探针安装孔内，之后将出射栅10推入第二壳体9内使其卡在第二壳体9内腔的台阶面处，将装配又出射栅10的第二壳体9推入探针安装孔内使其与第一壳体14对接，此时出射栅10卡在绝缘陶瓷座大端端面和第二壳体9内腔台阶面之间。该结构既便于装配，有利于保证同轴度，提高了装配精度，从而提高了测试的可靠性。

具体地，所述第二壳体9为台阶柱状结构，且与所述探针安装孔大直径段之间具有间隙，所述第二壳体9通过前端顶盖6与所述探针安装孔固定连接，所述前端顶盖6内腔为与所述第二壳体9外型面匹配的台阶结构，所述前端顶盖6与所述探针安装孔螺纹连接，所述前端顶盖6内腔小直径段开口处设有内翻边，所述入射栅8卡在所述内翻边内，且所述入射栅8与所述内翻边接触位置垫有绝缘陶瓷环7。采用这种结构，可以在前端顶盖螺纹旋紧的过程中逐步将探针安装孔内各部分零件压紧，第二壳体与探针安装孔大直径段留有的间隙可以使其小直径段受力，从而确定入射孔与出射孔之间的距离，保证测量装置的角度分辨率不发生改变。

如图2所示，所述电源模块包括偏置电源15和偏置电源线16，所述偏置电源线16一端与所述出射栅10连接，另一端与所述偏置电源15负极连接，所述偏置电源15正极接地。这种连接方式可以使出射孔处于负电压偏置状态，能够有效滤除电子电流，保证离子接收极只接收离子电流信号，提升装置的信噪比。

如图2所示，在一可选实施例中，所述测量模块包括信号线17、电源连接线和信号采集电路18，所述信号线17一端与所述离子接收极12连接，另一端与所述信号采集电路18的输入端连接，所述信号采集电路18通过电源连接线与所述偏置电源15的负极连接。这种电路连接方式可以使离子接收极和出射栅同时处于负偏置状态，保证离子栅出射的离子电流被信号极接收，提升装置的信噪比。

进一步地，如图1所示，所述的等离子体推力器稳态离子流场测量装置还包括二维移动平台，所述二维移动平台包括z轴伸缩杆3、X向滑轨4和探针固定底座5，X向滑轨4所述探针支架1通过所述电动转台2固定在所述z轴伸缩杆上，所述z轴伸缩杆3在外力作用下沿所述X向滑轨4滑动，所述z轴伸缩杆3Z向长度可伸缩。通过设置二维平台，可以实现对流场内不同位置处的离子稳态流场电流密度及离子速度矢量信息进行测量。

本发明实施例还提供了一种稳态离子流场测量方法，包括：

通过上述装置实施例中的电源模块给探针组件中的出射栅10提供负偏压以滤除电子；

通过所述探针组件中的离子接收极12接收离子流场测量点的离子电流，接收时所述电动转台2带动所述探针支架1从预设起点绕所述入射栅8的入射孔转动预设角度；

同时，通过所述探针组件中的测量模测量所述离子接收极12的离子电流信号及所述电动转台2的转角信号，从而确定电流强度与转动角度之间的函数关系；

根据所述电流强度与转动角度之间的函数关系，确定离子电流强度最大值对应的转动角度，得到测量点处的离子速度矢量角。

有关装置的描述和效果参见上述装置实施例，在此不再赘述。

进一步地，所述的稳态离子流场测量方法，还包括：

根据所述电流强度和所述入射栅8的入射孔直径，确定测量点处的离子电流密度。

以下为本发明的一个具体实施例：

如图1和2所示，本实施例提供了一种能够获取羽流场中离子稳态流场电流密度及离子速度矢量信息的测量装置，包括探针支架1、电动转台2、z轴伸缩杆3、X向滑轨4、探针固定底座5、前端顶盖6、绝缘陶瓷环7、入射栅8、第二壳体9、出射栅10、绝缘陶瓷座11、离子接收极12、内螺母13、第一壳体14、偏置电源15，偏置电源线16，信号线17和信号采集电路18。

在探针固定座5上依次安装X向滑轨4和z轴伸缩杆3，在z轴伸缩杆3的末端固定电动转台2，电动转台2的上安装探针支架1。调整X向滑轨4和z轴伸缩杆3，保证探针在羽流区的水平移动。其次，调整推力器支架的高度，保证推力器的轴线位于探针的移动平面内，如图1所示。

离子接收极12的末端螺柱穿过绝缘陶瓷座11螺母安装孔，在其后部加载垫片后将信号线17的一端夹入，并用内螺母13拧紧。信号线17的另一端穿过第一壳体14预留的槽孔并拉紧。偏置电源线16的一端与出射栅10相连接，另一端依次穿过绝缘陶瓷座11和第一壳体14的同轴导线孔。信号线17与偏置电源线16沿着探针支架1的预留孔导出真空舱外。将第一壳体14、内螺母13、绝缘陶瓷座11、离子接收极12作为整体装入探针支架1的探针安装孔内。依次安装出射栅10、第二壳体9、入射栅8和绝缘陶瓷环7，最后将前端顶盖6拧入探针支架1内，拧紧，保持内部各部件处于压紧状态。在真空舱外，偏置电源线16与偏置电源15的负极连接，信号线17经过信号采集电路18后与偏置电源15的负极连接，偏置电源15的正极与真空舱地线连接。

在离子流场的测试过程中，探针支架1竖直布置于等离子体推力器的羽流区，探针入射栅8的出射孔中心O为测量点位置。设置偏置电源15的电压为U_b(通常U_b≈50V)。离子接收极12和出射栅10与偏置电源的负极连接，二者的负偏置状态能够滤除电子信号的干扰作用，保证探针只接收测量点处的离子电流。探针的测量点O位于探针支架1的转动轴线上，电动转台5的转动会带动整个探针绕O点旋转。此时，探针收集到的电流信号是测量点O点离子电流在探针轴线方向的分量，其信号强度会随转动角发生变化，从而得到测量点处的稳态离子电流密度分布函数。当转动角与速度矢量角相等时，离子流方向与入射栅8和出射栅10小孔所在直线相重合，离子电流强度达到最大值，图3给出了离子电流密度分布函数随转角的变化示意图。根据离子电流强度的最大值所对应的探针转动角度θ_v就能够确定测量点处离子速度的矢量角。通过调节X向滑轨4和z轴伸缩杆3可以改变探针测量位置，最终就能够获得整个羽流场中各点的稳态离子电流密度分布函数以及离子速度矢量角分布。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。